浮体平衡稳定性的研究和应用

本文研究了几种简单的浮体和船体模型的稳定性,并对船体模型能承受的最大外力矩作了分析和计算,然后将这些分析和计算方法推广到任意形状的实际船体。这对船舶设计提供了一定的参考。本文对浮体稳定平衡的6种判据作了比较,指出各自的优点和局限性,以及相互关系。这对澄清有关的基本概念,改进该领域的教学和研究,会有所助益。     

碎冰区海冰与船舶结构相互作用的离散元分析

采用离散元模型对碎冰区海冰与船舶结构的相互作用进行了数值模拟。碎冰由三维圆盘单元构成,并考虑了其在海流作用下的浮力、拖曳力、附加质量;采用单元组合的方式构造了船体的简易模型。通过海冰与船体单元间的接触判断和接触力计算确定海冰与船体结构之间的相互作用。采用以上离散单元模型对不同冰速、冰厚、冰块尺寸、密集度条件下海冰与船体的动力作用过程进行了数值计算,并对比分析了不同海冰参数下冰对船体作用力的幅值。结果表明:冰对船体的作用力随冰厚、流速、密集度、冰块尺寸的增加而增大。本文工作可为冰区船舶的安全运行和结构设计提供参考。     

碎冰区海冰与船舶结构相互作用的离散元分析

采用离散元模型对碎冰区海冰与船舶结构的相互作用进行了数值模拟。碎冰由三维圆盘单元构成,并考虑了其在海流作用下的浮力、拖曳力、附加质量;采用单元组合的方式构造了船体的简易模型。通过海冰与船体单元间的接触判断和接触力计算确定海冰与船体结构之间的相互作用。采用以上离散单元模型对不同冰速、冰厚、冰块尺寸、密集度条件下海冰与船体的动力作用过程进行了数值计算,并对比分析了不同海冰参数下冰对船体作用力的幅值。结果表明：冰对船体的作用力随冰厚、流速、密集度、冰块尺寸的增加而增大。本文工作可为冰区船舶的安全运行和结构设计提供参考。     

含分布浮体的复杂构型深海缆线的动响应及其时空演化

深水柔性缆线是深海资源开采系统的重要组成部分, 随着水深的增加, 深水缆线长径比达103, 结构柔性变得很大, 且沿展向非均匀分布的浮力模块, 使得缆线构型变得更加复杂、张力等结构参数沿展向变化, 这使得环境载荷作用、海面船体运动等激励作用下的缆线流固耦合响应变得更加复杂, 给结构安全带来严峻挑战. 本文针对Double-stepped这种新构型深水缆线, 基于其流固耦合特性和载荷模型表征, 建立了含分布浮体的深水缆线动力学控制方程, 并结合有限元数值模拟和水箱模型实验, 进行了复杂构型缆线的动响应研究. 考察规则波和极端波浪环境载荷作用、海面船体运动等激励因素对结构响应的影响, 给出位移和张力等响应的时空演化规律, 并基于WKB理论分析了变参数结构响应幅值和波长的演化规律和机理. 结果表明: 结构响应沿着缆线长度向下传播过程中非单调变化, 在低张力区域会出现局部峰值; 由于分布浮体的存在使得结构参数轴向变化且不连续, 响应时空演化变得更加复杂, 呈现驻波、行波混合效应, 而且张力不但会影响位移幅值, 还会引起响应传播过程中的波长改变.      

ANALYSIS OF SHIP MANEUVERING PERFORMANCES AND ICE LOADS ON SHIP HULL WITH DISCRETE ELEMENT MODEL IN BROKEN-ICE FIELDS

采用离散元模型对碎冰区浮冰与船舶结构的相互作用进行了数值研究。碎冰由三维圆盘单元构成,并考虑其在海流作用下的浮力、拖曳力和附加质量。船体结构由一系列三角形单元组合构造。通过海冰与船体单元间的接触判断和接触力计算,确定海冰与船体结构之间的相互作用。采用以上离散单元模型对不同冰况（冰速、冰厚、冰块尺寸和密集度）以及航速条件下,海冰对船体的动力作用过程进行了数值分析,对比分析了以上因素对船体冰载荷的影响,可为冰区船舶的安全运行和结构设计提供一定的借鉴作用。     

水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γ_s(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γ_s从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γ_s≤0.3)、接触射流(0.4≤γ_s≤0.6)、非接触射流(0.7≤γ_s≤1)、对射流(1.1≤γ_s≤1.3)和反射流(1.4≤γ_s≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γ_s先增大后减小再增大,并且当0.7≤γ_s≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γ_s增大而增大;(3)在本文实验条件下,γ_s1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γ_s≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面.     

ALE动网格法在流固耦合数值模拟中的应用

为了解决流固耦合问题中的物体大幅度运动带来的困难,采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)动网格方法跟踪自由表面上浮体的运动.计算表明:浮体在无粘流体中的垂荡与弹簧-物体的振动模型理论解符合得较好;浮体在粘性流体中的自由横摇为阻尼运动,其横摇角度随时间的增加而减小,且在不同初始角度下运动系统的固有周期相当.在有外力力矩激励时,外力力矩的周期与系统的固有周期相当时浮体横摇运动趋于共振状态,运动幅度最大.计算结果验证了计算程序的可靠性与精度.本文方法为ALE方法应用于流体-多浮体耦合运动分析奠定了基础.     

半无矩壳理论在船体结构计算中的应用及其剖面畸变分析

本文应用半无矩壳理论建立了船体结构计算模型并综合讨论了该理论与薄壁梁理论和刚架位移法的关系。在船体实用计算中,提出了不同剖面间畸变角协调、船体纵横骨架和面外分布载荷等的处理方法。本文方法能综合考虑船体拉(压)、弯、扭及横向变形的耦合响应并且比常规有限元法大大节省机时和人力。     

平潭跨海大桥防船撞拦阻系统阻拦效能实验研究

本文介绍了一种新型的桥梁防船撞拦阻系统,以及该系统应用于平潭跨海大桥时所进行的实船拦阻实验。该防船撞拦阻系统由浮体、限载式拦索及锚链等组成,可以在船舶驶入时自动翻转并通过拖曳损耗船体动能最终保护桥梁安全。针对实船实验较为恶劣的环境,利用单目视觉测量技术,通过高速影像记录、数字图像处理及力学模型分析得到了实验船在受阻拦条件下的运动及受力,进而评估船舶进入阻拦区后阻拦系统的工作过程及工作效能。实验结果表明该技术能有效地对桥梁进行撞击防护。     

分析船舶上层建筑动力特性的有限元模型研究

本文以17500吨多用途货船“海建”号为实例,建立和讨论了计算船舶上层建筑动力特性的各种平面和空间有限元模型,并利用平面有限元模型研究了上层建筑与船体总振动之间的耦合影响。     

粘性液体中浮体的非线性稳定理论

本文应用连续系统稳定性理论,处理粘性不可压缩流体所支持的平衡浮体的非线性稳定问题,其中考虑到浮体的方位角和质心位置以及流体速度的非线性扰动,给出了各种尺度的非线性稳定、渐近稳定判据及不稳定判据。     

浅水孤立波在三维浮体上的绕射

浅水域中非线性水波运动的控制方程通常是经过深度平均的Boussinesq方程。然而,这一方程在浮体近旁或水下障碍物附近不再适用,在这些区域,流动在水深方向的变化不容忽略,本文应用匹配渐近展开法和边缘层(edge layer)思想,建立了浅水弱非线性波与三维浮体相互作用的数学模型,作为算例,求解了浅水孤立波在垂直圆柱形浮体上的绕射.本方法可以推广到波在一般浮体上绕射的情况。     

STUDY ON THE EQUILIBRIUM ATTITUDE AND STABILITY OF BUOYANT CYLINDERS

浮心相当于浮体的支承点,其位置随物体的姿态而变化;物体稳定平衡时重心与浮心的距离达到极小。圆柱浮体有2~5个平衡位置,其中相间的1~2个稳定,其姿态与比重和长径比相关,在系统参数变化时可能突变。     

滚装船-滑动车辆浮基多体系统的横摇研究

波浪和内部滑动车辆共同作用,使滚装船的横摇加剧。这是许多滚装船发生倾覆的重要原因之一。本文对由滚装船和滑动车辆组成的浮基多体系统中,取滚装船的横摇角和车辆在甲板上的横向位移为此系统的两个自由度。考虑非线性恢复力矩和非线性阻尼力矩的影响,运用浮基多体系统动力学方法,建立了系统的动力学方程。以某型海峡滚装渡轮为例,对在若干车辆同步滑动和波浪共同作用下的滚装船非线性横摇响应和车辆位移响应进行了数值计算,并与线性响应进行了比较,得出了考虑非线性时横摇角显著偏大的结论。     

船台滑道下含软弱层岸坡的空间稳定分析

芜湖江东船厂新建船台滑道位于有较厚软弱土层的岸坡上。本文采用三维有限元和刚体极限平衡理论结合的方法分析岸坡稳定, 对不同潜在滑动面进行探索, 求解最小安全系数及相应滑动面位置。分析结果已在施工实践中得到证实。     

浮动冲击平台冲击环境对设备响应的影响

对浮动冲击平台提供给设备的冲击环境及舰载设备在不同冲击环境下的响应进行了数值模拟和理论分析。以美国中型浮动冲击平台为计算模型,将设备基座的冲击环境与德国规范BV 043-85进行了比较,为分析两个体系在设备抗冲击要求中谱加速度的差异,对不同舰载设备进行数值模拟计算,并通过虚拟约束边界模态方法,提出不同冲击环境下基础激励的多自由度系统响应的计算方法。数值分析及理论计算结果表明:冲击谱中谱加速度对舰载设备响应影响较小,而谱位移和谱速度对设备响应有较大影响,理论计算得到的多自由度系统响应与数值模拟结果较一致,同时在进行浮动冲击平台设计时可不考虑谱加速度对设备响应的影响。     

SYNCHRONOUS EFFECT OF SLIPPING HEAVY LOADS ON RO-RO SHIP ROLLING IN WAVES

Common effect of wave and slip of internal vehicles will make rolling of the roll-on ship serious. This is one of the important reasons for overturn of ro-ro ships. The multibody system with a floating base is composed of ro-ro ship and slipping vehicles. Takes the rolling angle of the ship and the transverse displacements of the slipping vehicles on desk as freedoms. Making use of the analysis of apparent gravitation and apparent buoyancy, the wave rolling moment is derived. By means of dynamic method of multibody system, dynamic equations of the system are established. Taking a certain channel ferry as an example, a set of numerical calculation have been carried out for rolling response of the multibody system with a floating base of a ro-ro ship and displacements response of the slipping vehicles under common effect of free slipping vehicles and wave, and a conclusion has been drawn that the motion of the numerous free slipping heavy loads will trend to be synchronous under restraining of the side-wall bulkhead with time because of repeated collision.     

Modal Representation of Stress in Flexible Multibody Simulation

An application of the floating frame of reference formulation together with the nodal approach using quasi-comparison functions as shape functions allows an efficient analysis of stress in the flexible bodies of a multibody system. This is demonstrated using two simple examples. They are chosen to demonstrate the effects of various choices of shape functions and associated body reference frames. In the floating frame of reference formulation the equations of motion are linearized assuming the deformations to be small. The quasi-comparison functions, i.e. shape functions, can be selected in ways to increase the range of validity of the linearized equations of motion. The latter goal is achieved as well by so-called substructuring techniques. Combining both of the methodologies, one obtains efficient models for flexible multibody simulation.     

浮体直棱角附近流场的奇异性

本文研究了浮体直棱角附近势流流场的奇异特性。结果表明,在线性范围内,物面直棱角附近速度势的奇异特征是D~(2/3)(D是场点到直棱角点的距离),文中还给出了一个奇异性应用方面的实例。